第1章生物与生理的物理化学基础ppt课件.ppt

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1、第一章生物与生理的物理化学基础1物理学与生物学的相互渗透、相互促进、相互结合已有很长的历史在17世纪，波莱利（Borrelli）在他《动物的运动》一书中利用力学的原理分析了血液循环与鸟类的飞行。18世纪，伽伐尼(Galvani)通过青蛙神经由于接触两种金属引起肌肉收缩，从而发现了生物电现象。19世纪，梅耶(Mayer)通过热、功和生理过程关系的研究建立了能量守恒定律。220世纪40年代初，著名的量子物理学家薛定愕(Schrondinger)专门作了“生命是什么”的报告中提出的几个观点，如负熵与生命现象的有序性、遗

2、传物质的分子基础、生命现象与量子论的协调性等，以后陆续都被证明是极有预见性的观点，而且均得到证实。3物理学为生物学提供过大量工具光学显微镜(1590)：细胞(1665)细菌(AntonievanLeeuwenhoek,1683)(Muller确认细菌为一类生物,1773)X射线衍射晶体结构分析DNA双螺旋结构（JDWatson,FHCCrick,1953）肌红蛋白、血红蛋白晶体结构（1957,1959）电子显微镜、扫描电镜、隧道扫描电镜4各种光谱方法、荧光标记中子衍射示踪原子、放射性标记核磁共振波谱质谱仪“化学”仪

3、器：超速离心机、液相色谱分析、圆偏振二向色性分析、凝胶电泳5物理学为生物学提供了新思想负熵非周期晶体对热涨落的担心三联码（GeorgeGamow,1954）生物中的“标度”和“分形”6Outline平衡态热力学热力学方程与热力学函数生命现象与非平衡热力学简介热力学与生物信息7平衡态热力学热力学的基本概念热力学第一定律热力学第二定律81.1平衡态热力学热力学是研究热现象的宏观理论。经典热力学是唯象的理论。以实验为基础，从能量、能量守恒与转化的观点来分析系统在状态变化过程中热、功转换的关系和条件的学科。热现象是与温度有

4、关的、使物质性质发生改变的基本现象。从微观上看，热现象是组成物体的微粒做一种永不停息的、无规则的热运动的结果。人们对热现象不断地分析、归纳，总结出热现象的宏观理论——热力学。9热力学是研究物质性质和热运动规律的科学，热力学规律具有高度的普适性，可用于研究自然界中一切物质转变和能量转换的关系。一切化学、生命、物理过程都与热现象息息相关。10对于生物体来说，新陈代谢是生命活动的最基本特征，其本质是机体内进行的一系列有序的物理和化学过程的总和，新陈代谢包括物质代谢、能量代谢和信息交流，它们密不可分。生物系统不断地从周围环

5、境中摄取物质，经一系列生化反应合成、转变成自身需要的组分，又将原有的组分通过一系列生化反应变为废料，排出体外，并伴有能量变化。我们同样可以采用热力学的规律和研究手段来研究生物体系中的物质转变和能量转变。11在热力学的研究中，作为研究对象的物质及其发生变化的范围必需作出明确的规定。此范围称之为系统，而在系统以外、与系统密切相关且影响所及的部分称之为环境。系统与环境的关系：三类系统孤立系统，与环境无能量和物质的交换；封闭系统，与环境仅有能量交换，而无物质交换的系统，简称闭系；开放系统，与环境交换能量和物质的系统，简称开

6、系。12状态函数和状态方程热力学的目的之一就是将体系的状态完整的描述出来，此时，描述体系状态使用的量称之为状态函数或状态变量，反映了体系的宏观性质。而体系宏观性质的状态函数之间的关系可以由状态方程描述。比如，对于理想气体而言，压力(p)，体积(V)，温度(T)这三个状态变量之间的关系可以由下列状态方程式描述：pV=RT其中R为气体常数{R=8.31441±0.00026J/(mol·K)}。当p、V、T三个变量中的两个决定了的时候，该理想气体的状态就可以确定了。13状态函数的特点状态函数单纯的取决于系统的状态，即状

7、态一定，则描述该系统的状态函数也就一定。同样地，如果状态发生变化，则至少有一种参数随之改变。状态函数的变化只取决于给定系统的初始和最终状态，而与变化过程中所经历的一切状态和途径无关，这是热力学的一个重要特点。14根据状态函数的性质不同，我们大致可将其分为如下两类：（1）容量性质状态函数此类参数的数值与系统中物质的量成正比，即整个系统的容量性质状态参数的数值，是系统各部分该参数数值的总和。例如，一杯水的体积是各部分体积的总和，所以体积是容量性质状态参数。其他如质量、热容量等也均是容量性质状态参数。（2）强度性质状态函

8、数此类参数的数值与系统中物质的量无关，即整个系统的强度性质状态参数的数值与系统各部分该参数的数值相同。例如，一杯水的温度与水的数量无关，各部分水的温度与整杯水的温度是同一数值，所以温度是强度性质状态参数。其他如压力、比容、密度等等亦是强度性质状态参数。15热力学第一定律能量守恒与转换定律是自然界的一个基本规律。它指出，自然界中一切物质都具有能量。能量既不可能